具体实施方式

图4示出了已知的燃烧式涡轮机联合循环系统的示意图。系统400包括燃烧式涡轮机420(例如，燃气涡轮机)。将空气410经由涡轮压缩机416供应到燃烧式涡轮机420以产生压缩空气418。将燃料414(诸如天然气、脱硫天然气或其他合适的燃料)供应到燃烧式涡轮机燃烧器412。压缩空气418与燃料414混合并燃烧，产生高温气体424，将该高温气体供给涡轮膨胀机422以发电。加热的气体426从燃烧式涡轮机420输出并送到热回收蒸汽发生器(HRSG)450。在HRSG中，锅炉给水442被转化成高压蒸汽444。高压蒸汽444从HRSG 450输出并供应到蒸汽涡轮机460。蒸汽涡轮机460输出压力低于高压蒸汽444的蒸汽446并供应到蒸汽涡轮机470。在蒸汽涡轮机460和蒸汽涡轮机470中，当蒸汽涡轮机460和蒸汽涡轮机470进行发电提高系统400的效率时，高压蒸汽444的压力降低。蒸汽涡轮机470输出压力低于蒸汽446(例如，低于大气压)的蒸汽447并供应到冷凝器471，在该冷凝器中蒸汽在真空下冷凝，并且冷凝物可以泵回高压并用作锅炉给水442。通常，蒸汽在蒸汽涡轮机(未示出)之间再加热，以进一步增加电力输出和系统整体效率。

虽然该系统400对于基本负载发电可以是经济高效的，但是系统400在不损失效率的情况下几乎没有负载跟随能力，并且不具有存储电网的多余电力的能力。因此，本公开中描述的MCEC工艺可以添加到燃烧式涡轮机联合循环系统中，从而提供高效的能量储存和高效的峰值发电。

下面将描述根据各种示例性实施例的能量储存系统。该系统包括燃烧式涡轮机(例如，燃气涡轮机)。由燃气涡轮机产生的加热的吹扫气体用于重整天然气和蒸汽，以输出重整天然气。将重整天然气供应到熔融碳酸盐电解池(MCEC)(也称为重整器-电解槽-净化器(REP))，所述熔融碳酸盐电解池生成含氢流。含氢流可以与电化学氢气压缩机(EHC)结合使用，进一步纯化和加压含氢流。含氢流可以储存在储罐中用于各种应用，诸如用于峰值发电的PEM燃料电池中。

储能系统通过将加热的吹扫气体引导至重整器来有利地使用从燃烧式涡轮机回收的热量。与常规电解系统相比，除电解氢气之外，还从甲烷产生氢气，所需电力更少。对于没有EHC的系统，每产生一千克氢气电力消耗约为8kWh，并且对于包括EHC的系统，每产生一千克氢气额外需要5至15kWh，这远低于将多余电力存为氢气的典型系统，所述系统使用水电解并且每产生一千克氢气需要45至60kWh电力输入。

参考图1，示出了根据示例性实施例的能量储存系统100。系统100包括燃烧式涡轮机120(例如，燃气涡轮机)。将空气110供应到燃烧式涡轮机120。将燃料114(诸如天然气、脱硫天然气或其他合适的燃料)供应到燃烧式涡轮机燃烧器112。空气110与燃料114混合并燃烧，产生加热的吹扫气体118。燃烧式涡轮机120输出加热的吹扫气体118。

系统100进一步包括重整器和HRSG 150，其可包括蒸汽甲烷重整器或其他适合的烃类重整器。将锅炉给水142供应到重整器和HRSG 150。重整器和HRSG 150输出蒸汽144。将蒸汽144供应到蒸汽涡轮机160以产生额外电力。蒸汽涡轮机160输出低压蒸汽146。低压蒸汽146可以是15psia的蒸汽。一部分低压蒸汽148与天然气152(诸如脱硫天然气或其他合适的燃料)混合产生低压蒸汽和天然气混合物154。将低压蒸汽和天然气混合物154供应到重整器和HRSG 150。来自燃烧式涡轮机120的加热的吹扫气体118用于重整低压蒸汽和天然气混合物154，以输出重整天然气122。将未与天然气152混合的一部分低压蒸汽146供应到第二蒸汽涡轮机170。蒸汽涡轮机170输出极低压蒸汽147(例如，小于大气压)，其通过在冷凝器171中冷却而在真空下冷凝。

系统100进一步包括MCEC 130。将重整天然气122供应到在制氢模式下运行的MCEC130。MCEC 130可以是包括形成在燃料电池堆中的多个电解槽燃料电池的MCEC组件。MCEC130包括MCEC阳极130A和MCEC阴极130B。MCEC阳极130A接收来自重整器和HRSG 150的重整天然气122，并输出含有氢气的MCEC阳极排气124。MCEC阴极130B接收来自燃烧式涡轮机120的加热的吹扫气体118，并输出MCEC阴极排气126。

将来自燃烧式涡轮机120的加热的吹扫气体118引入MCEC阴极130B，这降低了MCEC阴极130B中的CO₂和O₂的浓度。该过程导致MCEC130两端的电压较低并且电力消耗较低。如果需要CO₂和O₂作为副产物，系统100也可以在没有一部分加热的吹扫气体118的情况下运行。然而，使用加热的吹扫气体118有助于在MCEC阴极130B中保持均匀的温度，从而最大限度地延长MCEC 130的寿命。MCEC阴极130B输出MCEC阴极排气126，其可以供应到重整器和HRSG150中。

MCEC阳极130A输出含有氢气的MCEC阳极排气124。含有氢气的MCEC阳极排气124可包括95-98％的H₂。MCEC阳极排气124还可含有多余燃料。例如，MCEC阳极排气可以包括(以干基计)2-5％的CO₂、甲烷和CO。MCEC阳极排气124可以穿过任何甲烷化催化剂125。甲烷化催化剂125可将CO转化为甲烷，从而基本上除去MCEC阳极排气124中的所有CO，并输出甲烷化催化剂排气127，使气体适用于EHC 140或PEM燃料电池180。如果不引入甲烷化，则在气体用于PEM峰值发电机之前，必须通过另一种纯化方法除去CO。一种替代的纯化系统是变压吸附系统(PSA)。在甲烷化催化剂之后，MCEC阳极排气被送到EHC 140，诸如在电解槽模式下运行的PEM燃料电池，其以电化学方式将氢气泵到适合储存的高压并净化甲烷化催化剂排气127(例如，达到99.99％或更高的H₂)。EHC 140包括EHC阳极140A，其配置为接收MCEC阳极排气124或甲烷化催化剂排气127，并输出EHC阳极排气129。EHC阳极排气129可含有多余燃料，并且可供应至燃烧器182。燃烧器182可用于提高重整器和HRSG 150的温度。EHC 140包括EHC阴极140B，其配置为输出纯化的加压含氢流128。

纯化的含氢流128可以储存或直接用于需要氢气的应用中。例如，含氢流128的一部分132可以存储在储罐133中，并且含氢流的一部分134可以用于PEM燃料电池180中，该PEM燃料电池配置为在峰值发电期间输出电力。纯化的含氢流可以可控地存储在储罐133中或立即送至PEM燃料电池180，这取决于当前的电力需求。

现在参考图2，示出了根据第二示例性实施例的能量储存系统200。如图1所示，在能量储存系统200中，当多余电力不可用时，将部分重整的天然气213送到燃烧式涡轮机220，而不是将重整天然气122送到MCEC 130。部分重整的天然气213提高了燃烧式涡轮机220的效率。此外，MCEC由加热的吹扫气218加热，并准备在需要时产生氢气和存储电力。系统200包括燃烧式涡轮机220(例如，燃气涡轮机)。将空气210供应到燃烧式涡轮机220。将燃料214(诸如天然气、脱硫天然气或其他合适的燃料)供应到燃烧式涡轮机燃烧器212。空气210与燃料214混合并燃烧，产生加热的吹扫气体218。燃烧式涡轮机220输出加热的吹扫气体218。

系统200进一步包括重整器和HRSG 250，其可包括蒸汽甲烷重整器或其他适合的烃类重整器。将锅炉给水242供应到重整器和HRSG 250。重整器和HRSG 250输出蒸汽244。将蒸汽244供应到蒸汽涡轮机260。蒸汽涡轮机260输出中压蒸汽246(例如200psia，这对于将重整天然气213供给加压燃烧式涡轮机燃烧器212来说是足够高的)。一部分中压蒸汽248与天然气252(诸如脱硫天然气或其他合适的燃料)混合产生中压蒸汽和天然气混合物254。将中压蒸汽和天然气混合物254供应到重整器和HRSG 250，其在足以供给燃烧式涡轮机220的较高压力下运行。从重整器和HRSG 250供应到燃烧式涡轮机燃烧器212的部分重整的燃料213增加了燃烧器212中燃料所释放的热量，因此减少了所需燃料并提高了效率。当重整器和HRSG 250中的多余蒸汽在燃烧式涡轮机膨胀器221中膨胀时，该多余蒸汽也增加了电力输出。来自燃烧式涡轮机220的加热的吹扫气体218用于为重整中压蒸汽和天然气混合物254以输出重整天然气222提供热量。将未与天然气252混合的一部分中压蒸汽246供应到蒸汽涡轮机270。蒸汽涡轮机270输出额外的电力并产生低压蒸汽247。低压蒸汽247被送到冷凝器271并且冷凝物作为锅炉给水242通过泵循环到系统200。重整天然气213可以是所有的部分重整天然气，或任一部分的重整天然气222。

系统200进一步包括MCEC 230。将重整天然气222供应到在制氢模式下运行的MCEC230。MCEC 230可以是包括形成在燃料电池堆中的多个电解槽燃料电池的MCEC组件。MCEC230包括MCEC阳极230A和MCEC阴极230B。MCEC阳极230A接收来自重整器和HRSG 250的重整天然气222，并输出含有氢气的MCEC阳极排气224。MCEC阴极230B接收来自燃烧式涡轮机220的加热的吹扫气体218，并输出MCEC阴极排气226。

来自燃烧式涡轮机220的加热的吹扫气体218可被引入MCEC阴极230B，这降低了MCEC阴极230B中的CO₂和O₂的浓度。该过程导致MCEC 230两端的电压较低并且电力消耗较低。如果需要CO₂和O₂作为副产物，系统200也可以在没有一部分加热的吹扫气体218的情况下运行。然而，使用加热的吹扫气体218有助于在MCEC阴极230B中保持均匀的温度，从而最大限度地延长MCEC 230的寿命。MCEC阴极230B输出MCEC阴极排气226，其可以供应到重整器和HRSG 250中。

MCEC阳极230A输出含有氢气的MCEC阳极排气224。含有氢气的MCEC阳极排气224可包括95-98％的H₂。MCEC阳极排气224还可含有多余燃料。例如，MCEC阳极排气224可以包括(以干基计)2-5％的CO₂、甲烷和CO。MCEC阳极排气224可以穿过任何甲烷化催化剂225。甲烷化催化剂225可将CO转化为甲烷，从而基本上除去MCEC阳极排气224中的所有CO，并输出甲烷化催化剂排气227，使气体适用于EHC 240或PEM燃料电池280。甲烷化催化剂产生无CO的MCEC阳极排气，其被送至EHC 240，诸如以电解槽模式运行的PEM燃料电池，其在一个步骤中以电化学方式将氢气泵到高压并净化甲烷化催化剂排气227(例如，达到99.99％或更高的H₂)。EHC 240包括EHC阳极240A，其配置为接收MCEC阳极排气224或甲烷化催化剂排气227，并输出EHC阳极排气229。EHC阳极排气229可含有多余燃料，并且可供应至燃烧器282。燃烧器282可配置为接收来自燃烧式涡轮机220的加热的吹扫气体218和EHC阳极排气229，并且在加热的吹扫气体218被MCEC阴极230B接收之前对加热的吹扫气体218进一步加热。燃烧器282可用于提高MCEC230的温度，而不是如图1所示的重整器和HRSG 150的温度。EHC 240包括EHC阴极240B，其配置为输出纯化的加压含氢流228。

纯化的含氢流228可以储存或直接用于需要氢气的应用中。例如，含氢流228的一部分232可以存储在储罐233中，并且含氢流的一部分234可以用于PEM燃料电池280中，该PEM燃料电池配置为在峰值发电期间输出电。纯化的含氢流可以可控地存储在储罐233中或立即送至PEM燃料电池280，这取决于当前的电力需求。

现在参考图3，示出了根据第三示例性实施例的能量储存系统300。在能量储存系统300中，在氢气存储之前使用压缩机340而不是EHC。在该配置中，来自MCEC阳极的含氢流(例如，95-98％的H₂)被送到储罐333和/或PEM 380中。系统300包括燃烧式涡轮机320(例如，燃气涡轮机)。将空气310供应到燃烧式涡轮机320。将燃料314(诸如天然气、脱硫天然气或其他合适的燃料)供应到燃烧式涡轮机燃烧器312。空气310与燃料314混合并燃烧，产生加热的吹扫气体318。燃烧式涡轮机320输出加热的吹扫气体318。

系统300进一步包括重整器和HRSG 350，其可包括蒸汽甲烷重整器或其他适合的烃类重整器。将锅炉给水342供应到重整器和HRSG 350。重整器和HRSG 350输出蒸汽344。将蒸汽344供应到蒸汽涡轮机360。蒸汽涡轮机360输出低压蒸汽346。低压蒸汽346可以是15psia的蒸汽。一部分低压蒸汽348与天然气352(诸如脱硫天然气或其他合适的燃料)混合产生低压蒸汽和天然气混合物354。将低压蒸汽和天然气混合物354供应到重整器和HRSG350。来自燃烧式涡轮机320的加热的吹扫气体318用于为重整低压蒸汽和天然气混合物354以输出重整天然气322提供所需的热量。将未与天然气352混合的一部分低压蒸汽346供应到第二蒸汽涡轮机370。蒸汽涡轮机370输出极低压蒸汽347(例如，小于大气压)，其通过在冷凝器371中冷却而在真空下冷凝。

系统300进一步包括MCEC 330。将重整天然气322供应到在制氢模式下运行的MCEC330。MCEC 330可以是包括形成在燃料电池堆中的多个电解槽燃料电池的MCEC组件。MCEC330包括MCEC阳极330A和MCEC阴极330B。MCEC阳极330A接收来自重整器和HRSG 350的重整天然气322，并输出含有氢气的MCEC阳极排气324。MCEC阴极330B接收来自燃烧式涡轮机320的加热的吹扫气体318，并输出MCEC阴极排气326。

将来自燃烧式涡轮机320的加热的吹扫气体318引入MCEC阴极330B，这降低了MCEC阴极330B中的CO₂和O₂的浓度。该过程导致MCEC 330两端的电压较低并且电力消耗较低。如果需要CO₂和O₂作为副产物，系统300也可以在没有一部分加热的吹扫气体318的情况下运行。然而，使用加热的吹扫气体318有助于在MCEC阴极330B中保持均匀的温度，从而最大限度地延长MCEC 330的寿命。MCEC阴极330B输出MCEC阴极排气326，其可以供应到重整器和HRSG 350中。

MCEC阳极330A输出含有氢气的MCEC阳极排气324。MCEC阳极排气324可包括95-98％的H₂。MCEC阳极排气324还可含有多余燃料。例如，MCEC阳极排气324可以包括(以干基计)2-5％的CO₂、甲烷和CO。MCEC阳极排气324可以穿过任何甲烷化催化剂325A。甲烷化催化剂325A可将CO转化为甲烷，从而基本上除去MCEC阳极排气324中的所有CO，并输出甲烷化催化剂排气327，使气体适用于PEM燃料电池380。在冷却MCEC阳极排气234以基本上除去所有CO并使MCEC阳极排气324适合用作PEM发电机中的燃料时，MCEC阳极排气324可以被甲烷化。或者，可以通过排气压缩机340下游的PSA 325B除去CO。

可将MCEC阳极排气324供应到压缩机340。压缩机340输出加压的含氢流328。含氢流328可以储存或直接用于需要氢气的应用中。例如，含氢流328的一部分332可以存储在储罐333中，并且含氢流的一部分334可以用于PEM燃料电池380中，该PEM燃料电池配置为在峰值发电期间输出电。含氢流可以可控地存储在储罐333中或立即送至PEM燃料电池380，这取决于当前的电力需求。通常在峰值电力需求期间，用电的MCEC 330将被关闭，并且PEM燃料电池将由储罐333供电，使产生的净电力最大化。在一些情况下，MCEC330将以某种方式运行产生电力从而进一步增加峰值发电量。

虽然在储罐333和/或PEM燃料电池380中接收的氢气纯度低于上述前两个实施例，但EHC的取消提供了成本较低的选择。因为储存在储罐333中的氢气大约为95-98％的H₂，所以PEM燃料电池380可以输出多余燃料335(例如，氢燃料和非氢燃料)。多余燃料335可供应到燃烧器382，这可用于加热重整器和HRSG 350。

根据某些实施例，MCEC 130、230、330可以在发电模式下运行，其中MCEC 130、230、330的运行方式与制氢模式相反。MCEC 130、230、330的反向运行允许MCEC130、230、330作为常规燃料电池接收氢气作为燃料并发电。

如本文所用，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似术语旨在具有与本公开所属领域的普通技术人员普遍接受的用法一致的广泛含义。阅读本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征进行描述，而不将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应被解释为表明所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或变更被认为在如所附权利要求中所述的本公开的范围内。

应当注意，本文所使用的用于描述各种实施例的术语“示例性”旨在表明这些实施例是可能实施例的可能示例、表示和/或说明(并且此类术语不旨在暗示这些实施例是非同寻常或最高级的示例)。

本文所用的术语“联接”、“连接”等意指两个构件直接或间接地彼此接合。此类接合可以是固定的(例如，永久的)或移动的(例如，可移除的或可释放的)。此类接合可以通过两个构件或两个构件及任何另外的中间构件彼此一体地形成为单个整体来实现，或者通过两个构件或两个构件及任何另外的中间构件彼此附接来实现。

本文对元件的位置的引用(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)仅用于描述附图中各种元件的方向。应当注意，根据其他示例性实施例的各种元件的方向可以不同，并且此类变化旨在被本公开所涵盖。

应当理解，虽然本发明已经针对其优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员可以想到在本发明的范围和精神内的各种其他实施例和变型，并且这些其他实施例和变型旨在由相应的权利要求覆盖。本领域技术人员应当容易理解，在实质上不脱离本文描述的主题的新颖教导和优点的情况下，可能存在许多修改(例如，尺寸、结构、参数值、安装布置、材料的使用、方向、制造工艺等的变化)。例如，根据替代实施例，任何过程或方法步骤的顺序或序列可以发生变化或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在各种示例性实施例的设计、运行条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种能量储存系统，包含：

燃烧式涡轮机，配置为输出加热的吹扫气体；

重整器，配置为接收天然气和蒸汽并输出重整天然气；

熔融碳酸盐电解池(MCEC)，包含MCEC阳极和MCEC阴极，其中所述MCEC配置为在制氢模式下运行，在所述制氢模式下：

所述MCEC阳极配置为接收来自所述重整器的所述重整天然气，并输出含有氢气的MCEC阳极排气，并且

所述MCEC阴极配置为接收来自所述燃烧式涡轮机的加热的吹扫气体，并输出MCEC阴极排气；以及

储罐，配置为接收含有氢气的所述MCEC阳极排气。

2.根据权利要求1所述的能量储存系统，进一步包含：

电化学氢气压缩机(EHC)，包含：

EHC阳极，配置为接收所述MCEC阳极排气，和

EHC阴极，配置为将纯化的含氢流输出到所述储罐。

3.根据权利要求2所述的能量储存系统，其中所述EHC阳极配置为输出含有多余燃料的EHC阳极排气。

4.根据权利要求3所述的能量储存系统，进一步包含：

燃烧器，配置为接收所述MCEC阴极排气和所述EHC阳极排气，并提高所述重整器的温度。

5.根据权利要求3所述的能量储存系统，进一步包含：

燃烧器，配置为接收来自所述燃烧式涡轮机的所述加热的吹扫气体和所述EHC阳极排气，并且在所述加热的吹扫气体被所述MCEC阴极接收之前对所述加热的吹扫气体进一步加热。

6.根据权利要求2所述的能量储存系统，进一步包含：

甲烷化催化剂，配置为接收所述MCEC阳极排气并将所述MCEC阳极排气中的一氧化碳转化为甲烷。

7.根据权利要求2所述的能量储存系统，

质子交换膜(PEM)燃料电池，配置为接收来自所述EHC阴极和/或所述储罐的纯化的含氢流，并输出电。

8.根据权利要求1所述的能量储存系统，进一步包含：

质子交换膜(PEM)燃料电池，配置为接收来自所述MCEC的所述MCEC阳极排气和/或来自所述储罐的含氢流，并输出电。

9.根据权利要求8所述的能量储存系统，其中：

所述PEM燃料电池配置为输出多余燃料，并且

所述能量储存系统进一步包含燃烧器，其配置为接收所述MCEC阴极排气、EHC阳极排气和来自所述PEM燃料电池的所述多余燃料，并提高所述重整器的温度。

10.根据权利要求1所述的能量储存系统，进一步包含：

压缩机，配置为接收并加压来自所述MCEC阳极排气的氢气。

11.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述燃烧式涡轮机配置为接收来自所述重整器的部分所述重整天然气。

12.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述MCEC配置为在发电模式下运行，在所述发电模式下，所述MCEC的运行方式与所述制氢模式相反。

13.根据权利要求1所述的能量储存系统，进一步包含：

热回收蒸汽发生器，配置为生成所述蒸汽并将所述蒸汽供应至所述重整器。

14.根据权利要求13所述的能量储存系统，其中所述热回收蒸汽发生器配置为生成低压蒸汽。

15.根据权利要求13所述的能量储存系统，其中所述热回收蒸汽发生器配置为生成中压蒸汽。

16.一种使用熔融碳酸盐电解池(MCEC)的能量储存方法，所述MCEC包含MCEC阳极和MCEC阴极，其中所述MCEC配置为在制氢模式下运行，并且所述方法包含：

从燃烧式涡轮机输出加热的吹扫气体；

重整器接收天然气和蒸汽，并从所述重整器输出重整天然气；

所述MCEC阳极接收来自所述重整器的所述重整天然气，并从所述MCEC阳极输出含有氢气的MCEC阳极排气；

所述MCEC阴极接收来自所述燃烧式涡轮机的所述加热的吹扫气体，并从所述MCEC阴极输出MCEC阴极排气；以及

储罐接收含有氢气的所述MCEC阳极排气。

17.根据权利要求16所述的能量储存方法，进一步包含电化学氢气压缩机(EHC)，所述方法包含：

EHC阳极接收所述MCEC阳极排气；以及

将纯化的含氢流从EHC阴极输出到所述储罐。

18.根据权利要求17所述的能量储存方法，包含：

甲烷化催化剂接收所述MCEC阳极排气；以及

将所述MCEC阳极排气中的一氧化碳转化为甲烷。

19.根据权利要求17所述的能量储存方法，

接收来自所述EHC阴极和/或所述储罐的纯化的含氢流；以及

输出电。

20.根据权利要求17所述的能量储存方法，

输出来自质子交换膜(PEM)燃料电池的多余燃料；以及

燃烧器接收所述MCEC阴极排气、EHC阳极排气和来自所述PEM燃料电池的所述多余燃料，并且使用所述燃烧器来提高所述重整器的温度。